CC BY
31
ГЕОГРАФИЯ И ЭКОЛОГИЯ
УДК 500.42
Е.М. Никифорова1, Н.С. Касимов2, Н.Е. Кошелева3, О.В. Новикова4
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ТРЕНДЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ГОРОДСКИХ ПОЧВ И РАСТЕНИЙ СОЕДИНЕНИЯМИ СВИНЦА
(НА ПРИМЕРЕ ВОСТОЧНОГО ОКРУГА МОСКВЫ)5
На основе результатов ландшафтно-геохимических исследований в Восточном округе Москвы в 1989 и 2005 гг. выявлены пространственно-временные тренды загрязнения почв и растений свинцом. По данным опробования разных лет составлены карты техногенных аномалий валовых и подвижных форм свинца в почвах. Оценена динамика загрязнения и установлены особенности поглощения свинца разными органами древесных, травянистых видов растений и сельскохозяйственных культур. Определен темп накопления свинца в разных функциональных зонах территории округа, что позволило дать прогноз времени удвоения концентрации свинца в поверхностных горизонтах почв и растениях.
Ключевые слова: почвы, городская растительность, техногенные аномалии, загрязнение, геохимическая трансформация, геохимические карты.
Введение. Свинец — один из главных и экологически опасных загрязнителей городской среды. Преобладающая часть его соединений характеризуется небольшой подвижностью и высокой аккумулирующей способностью, что приводит к накоплению металла в системе почва—растение и негативно влияет на здоровье горожан [16]. Геохимическая оценка состояния городских ландшафтов традиционно основана на определении уровней загрязнения почв и других депонирующих сред в зонах различного функционального назначения [1, 3, 5, 14, 19, 22, 25—28]. Гораздо в меньшей степени изучена сезонная и многолетняя динамика накопления свинца и других тяжелых металлов в системе почва—растение [12, 21]. При этом, как правило, контролируются лишь валовые содержания загрязнителей, что не позволяет выявить закономерности их миграции и аккумуляции. Для количественного анализа поведения свинца в городских ландшафтах необходимы комплексные мониторинговые исследования, направленные на оценку темпа накопления соединений свинца в почвах и растениях. Их результаты позволят дать прогноз экологической обстановки в отдельных зонах и районах города.
Цель статьи — на примере одного из наиболее загрязненных округов Москвы — Восточного — установить многолетние изменения содержа-
ния и пространственного распределения свинца в почвах и растениях. Решались следующие задачи: 1) определить значения среднего уровня и вариабельность содержания валовых и подвижных соединений свинца в поверхностных горизонтах почв и растениях из разных функциональных зон Восточного административного округа (ВАО) по данным 1989 и 2005 гг.; 2) составить карты техногенных аномалий свинца в почвах с расчетом их площадей за два срока наблюдений; 3) определить темп накопления свинца различными органами древесных, травянистых растений и сельскохозяйственных культур и сопоставить его со скоростью аккумуляции подвижных форм свинца в почвах; 4) оценить экологическую ситуацию в 1989 и 2005 гг. и дать прогноз ее развития в разных функциональных зонах округа.
Объекты и методы исследования. Исследована южная, наиболее загрязненная часть Восточного округа в пределах районов Перово, Вешняки, Ивановское, Косино-Ухтомский, Новогиреево, Ново-косино. Эта территория занимает особое положение в столичной агломерации в силу множества предприятий машиностроения, нефтехимии и нефтепереработки, крупных автомагистралей и ТЭЦ, расположенных в этом округе и являющихся основными источниками загрязнения почв свинцом [20].
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, ст. науч. сотр., e-mail: [email protected]
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, зав. кафедрой геохимии ландшафтов и географии почв, e-mail: [email protected]
3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, вед. науч. сотр., e-mail: [email protected]
4 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, науч. сотр., e-mail: [email protected]
5 Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям, госконтракт № 02.740.11.0337.
Дополнительный источник поллютанта — его атмосферный привнос из других районов города, вызванный преобладанием западных ветров.
Рассматриваемая территория расположена в пределах Подмосковной Мещеры со средними абсолютными отметками 150—160 м. Ее ландшафты представляют собой водно-ледниковую слаборасч-лененную равнину четвертичного возраста с редкими моренными останцами. Четвертичные отложения сложены флювиогляциальными песками московского возраста мощностью 4—10 м, подстилаемы-
Рис. 1. Техногенные аномалии подвижных форм свинца в поверхностном (0—15 см) слое почв в Восточном округе Москвы (по данным 1989 и 2005 гг.)
ми днепровской мореной [11]. Отложения обеднены микроэлементами, в частности свинцом. Часть территории сложена техногенными отложениями мощностью 2—4 м. Их состав неоднороден и включает строительный и бытовой мусор, отходы производства, погребенные дорожные покрытия и т.п. В почвенном покрове преобладают антропогенно-измененные почвы — урбо-дерново-подзолистые и урбаноземы, а также искусственно созданные почвы — техноземы [4]. Местами почвенный покров отсутствует и заменен культурным насыпным грунтом, часть его покрыта асфальтом. Физико-химические свойства городских почв сильно изменены под воздействием техногенных факторов [10, 12].
Характер растительного покрова определяется принадлежностью к зоне умеренных хвойно-широколиственных лесов. Среди зеленых насаждений преобладают лиственные породы: тополь бальзамический, береза повислая, липа мелколистная, клен остролистный и др. Напочвенный покров состоит из злаков (тимофеевка луговая, лисохвост луговой, овсяница красная и др.) и сорных видов (одуванчик лекарственный, пырей ползучий, щучка дернистая, вейник наземный и др.).
Ландшафтно-геохи-мические исследования на территории округа проводились летом 1989 и 2005 гг. по общепринятой методике на основе предварительного при-родно-функционального зонирования территории [6, 8, 13]. К зонам, где сосредоточены основные источники свинца, отнесены крупные автомагистрали (МКАД, шоссе Энтузиастов, Вешняковская ул., Свободный и Зеленый проспекты, Но-вокосинское шоссе и др.), внутрирайонные улицы
и промзоны, расположенные как в центре рассматриваемой территории (Карачарово, Перово, завод «Прожектор»), так и по ее периферии (Соколиная гора, Косино-1, Косино-2, ММЗ «Серп и молот», Гайвороново) (рис. 1). Выделены также зоны старых жилых кварталов (пос. Ухтомского, Кожухово и Руднево), новостроек (Новокосино), рекреации (парк Кусково, Терлецкие пруды) и агроландшаф-тов (у пос. Руднево и Кожухово).
Всего на исследуемой территории отобрано 98 образцов из гумусового (0—15 см) горизонта почв в 1989 г. и 102 образца — в 2005 г. Изучены наиболее распространенные древесные виды растений — тополь бальзамический и липа мелколистная (листья и ветки), а также травянистые — одуванчик лекарственный и газонная смесь, состоящая из злаков — овсяницы красной и луговой, мятлика лугового, полевицы обыкновенной с примесью сорных видов. В агроландшафтах иследо-вались овощные культуры — картофель (клубни), капуста (листья и кочерыжка), морковь (корнеплоды), укроп (листья) и зерновые — кукуруза (корни, стебли, листья), ячмень, рожь, овес, пшеница (зерно, солома). В тех же местах, где опробовались почвы, отобрано по 177 проб растений в 1989 и в 2005 гг. Число образцов одного вида в каждой точке пробоотбора составило 3—5. Растительный материал озолялся без предварительного отмывания пыли дистиллированной водой.
Концентрацию свинца в почвенных и растительных пробах определяли методом атомно-абсорб-ционной спектрофотометрии на приборе «Хитачи 180-70». Наряду с валовыми анализировались подвижные формы, извлекаемые ацетатно-аммоний-ным буфером с рН 4,8. Они представляют наиболь-
шую экологическую опасность, так как обладают высокой миграционной способностью и доступны растениям.
В качестве эталонов использованы почвы и растения фоновых ландшафтов Мещерской равнины. Для оценки экологической опасности загрязнения почв свинцом приняты значения его ПДК, равные 32 мг/кг для валовых и 6 мг/кг для подвижных форм [15, 18]. Статистическая обработка аналитических данных выполнена в программном пакете 8Ш18Иса 7, карты построены в пакете ЛсУ1е^' 3.2а. Площади с разной концентрацией свинца в почвах рассчитаны с помощью программы МЛ08иЯР, разработанной на кафедре картографии и геоинформатики географического факультета МГУ.
Тренды загрязнения свинцом поверхностного горизонта почв. Содержание свинца в почвах различных функциональных зон. Результаты статистической обработки данных по валовой концентрации свинца в городских почвах за 1989 и 2005 гг. приведены на рис. 2, а и в табл. 1. Степень загрязнения почв свинцом уменьшается в ряду: крупные автомагистрали и промзоны > старые жилые кварталы > агроландшафты > внутрирайонные улицы > рекреационные зоны > новостройки. Очень высокая концентрация свинца в урбо-дерново-подзо-листых почвах и урбаноземах в старых жилых кварталах обусловлена их максимальной сорбционной емкостью. Наибольший разброс содержания свинца наблюдался в почвах крупных автомагистралей и промзон, а также в старых жилых кварталах. За 16-летний период валовое содержание свинца в почвах увеличилось в среднем в 2,2 раза, а вариабельность снизилась, что можно объяснить постепенным нивелированием различий в физико-хи-
Рис. 2. Диаграммы размаха концентраций валового (а) и подвижного (б) свинца в поверхностном (0—15 см) слое почв в Восточном округе Москвы. Маркерами отмечены средние значения, прямоугольниками — 25%- и 75%-ные квартили, отрезками — минимальные и максимальные значения
Таблица 1
Геохимические показатели накопления соединений свинца в поверхностных (0—15 см) горизонтах почв
BAO Москвы в 1989 и 2005 гг.
Функциональная зона (число проб) Валовые формы Подвижные соединения Подвижность, %
среднее содержание, мг/кг минимум и максимум, мг/кг Кс среднее содержание, мг/кг минимум и максимум, мг/кг Кс
Фоновые почвы Ногинского района Московской области (10) 8,0 6,40-11,0 1,0 0,294 0,21-0,34 1,0 3,68
1989 г.
Крупные автомагистрали и промзоны (12) 60,5 16,6-127,4 7,6 6,87 2,0-13,6 23,4 11,4
Старые жилые кварталы (5) 72,4 11,4-146,9 9,0 8,14 1,3-16,8 27,7 11,2
Внутрирайонные улицы (16) 26,5 10,1-73,4 3,3 2,52 1,0-7,1 8,6 9,51
Рекреационная зона (6) 21,1 13,1-25,8 2,6 1,38 0,8-1,8 4,7 6,54
Сельскохозяйственная зона (5) 45,6 12,3-68,8 5,7 4,18 1,2-7,0 14,2 9,17
Новостройки (5) 16,4 11,0-28,5 2,0 1,10 0,8-1,8 3,7 6,71
2005 г.
Крупные автомагистрали и промзоны (14) 174 105,5-382,5 21,8 22,5 13,6-46,8 76,5 12,9
Старые жилые кварталы (5) 159 92,5-281,4 19,9 20,7 12,6-37,7 70,4 13,0
Внутрирайонные улицы (17) 39,3 20,1-96,4 4,9 4,14 2,3-9,7 14,1 10,5
Рекреационная зона (6) 32,9 28,3-46,8 4,1 2,48 1,9-4,0 8,4 7,54
Сельскохозяйственная зона (15) 84,7 67,2-101,9 10,6 8,50 6,6-10,4 28,9 10,0
Новостройки (5) 20,2 15,9-30,1 2,5 1,54 1,2-2,4 5,2 7,62
Примечания. Кс — коэффициент концентрации свинца по сравнению с природным фоном; подвижность — процент содержания подвижных форм относительно валового содержания.
мических свойствах городских почв, контролирующих уровень концентрации и миграционную способность элемента.
Региональный кларк валового свинца, равный 8 мг/кг, был превышен в 4,3 раза в 1989 г. и 9,5 раза в 2005 г. Наибольший темп его накопления зафиксирован в почвах крупных автомагистралей и промзон, а также старых жилых кварталов (7,1—5,4 мг/кг в год), минимальный — в почвах районов новостроек (менее 0,1 мг/кг в год). Среднее валовое содержание свинца в почвах округа в 2005 г. составило 88 мг/кг, что значительно меньше, чем в ряде европейских городов (Берлин 119, Гамбург 218, Севилья и Мадрид 161, Лондон 294, Палермо 253, Неаполь 262 мг/кг) [25].
Распределение подвижных форм свинца в почвах функциональных зон округа показано на рис. 2, б и в табл. 1. По накоплению подвижных форм металла зоны выстраиваются в такой же ряд, что и для валового содержания. За период с 1989 по 2005 г. содержание подвижного свинца в почвах увеличилось в среднем в 2,6 раза. Максимальный темп его накопления наблюдался в почвах крупных автомагистралей и промзон, а также старых жилых кварталов (0,8—1,0 мг/кг в год), минималь-
ный — в почвах новостроек и рекреационной зоны (0,03—0,07 мг/кг в год).
Сравнение содержания подвижного свинца в городских почвах с природным фоном свидетельствует об очень высокой скорости его накопления в городе: в целом по округу в 1989 г. отмечено 14-кратное превышение над фоном, а в 2005 г. — 36-кратное. Увеличение количества подвижных соединений свинца, в несколько раз превышающее темп роста его валового содержания, указывает на резкое ухудшение состояния и увеличение экологической опасности загрязнения городских ландшафтов.
Подвижность свинца в городских почвах также значительно повысилась (табл. 1). Если в фоновых почвах она равна 3,7, то в городских почвах ее средняя величина в 1989 г. составила 9,5, а в 2005 г. — 10,8%. Это объясняется повышенным накоплением в городе техногенной пыли, содержащей большое количество легкоподвижных соединений свинца, а также трансформацией физико-химических свойств городских почв, способствующих их закреплению. Корреляционный анализ подвижности свинца в зависимости от почвенно-геохимиче-ских факторов показал ее связь с величиной рН (коэффициент корреляции г составил 0,67 в 1989 г. и 0,73 в 2005 г.) и содержанием подвижного фос-
Площадь, %
100 -
Г
80 - /
/ /
60 - 1 /
40 \(
1
20 1
о - Г
фора (г = 0,73 и 0,77 соответственно). Именно эти факторы наиболее сильно влияют на аккумуляцию подвижных форм свинца в городских почвах. Фосфаты относятся к наиболее устойчивым формам свинца в городских почвах, поэтому являются его активными аккумуляторами [2].
Техногенные аномалии свинца в почвах. Загрязнение почв территории округа отражают карты техногенных аномалий валового содержания и концентрации подвижных соединений свинца в поверхностном (0—15 см) горизонте, построенные по данным 1989 и 2005 гг. Карты имеют достаточно близкую структуру и конфигурацию, поэтому мы приводим карты концентрации только подвижных форм свинца (рис. 1).
На карте 1989 г. хорошо прослеживаются три аномалии. Северо-западная аномалия характеризуется наиболее высокой концентрацией Стах подвижных форм свинца в почвах — 14 мг/кг, что составляет 2,3 ПДК. Аномалия сформировалась под воздействием выбросов ТЭЦ-11, шоссе Энтузиастов, металлургического комбината «Серп и молот» и промзоны Соколиная гора. Юго-восточная аномалия в старых жилых кварталах пос. Ухтомского, Кожухово и Руднево также достаточно контрастна — Стах = 16 мг/кг (2,7 ПДК). Ее появление обусловлено воздействием промзон Косино-1 и Косино-2, где расположен мусоросжигательный завод. Центральная аномалия, состоящая из ряда отдельных ореолов, приуроченных к МКАД, имеет Стах =18 мг/кг (3,0 ПДК). Локальные максимумы концентрации подвижного свинца в этой аномалии связаны с усилением нагрузки на дорогу в местах пересечения МКАД крупными радиальными магистралями, а также привносом свинца из промзон, расположенных западнее магистрали. На остальной территории содержание свинца в почвах ниже ПДК.
На карте 2005 г. значительно увеличились размеры и контрастность ранее сформировавшихся аномалий, содержание подвижного свинца в них повысилось в 2—3 раза. С увеличением техногенного воздействия площадь слабозагрязненных почв сократилась и занимает в настоящее время центральную часть рассматриваемого района — от парка Кусково на юге до зоны отдыха Терлецкие пруды на севере, а также жилую зону Новокосино. Эта наиболее экологически благоприятная территория с содержанием свинца в почвах ниже ПДК.
Динамика площадей с разным уровнем загрязнения почв. Для оценки экологической опасности загрязнения почв свинцом по картам 1989 и 2005 гг.
Площадь, 100
-- 1989 г.
-2005 г.
0 100 200 300 400 500 Концентрация валового РЬ, мг/мг
0 10 20 30 40 50 60 Концентрация подвижного РЬ, мг/мг
Рис. 3. Кумулятивные кривые распределения площадей с различным уровнем загрязнения свинцом поверхностного (0—15 см) горизонта почв в Восточном округе Москвы в 1989 и 2005 гг.
рассчитаны площади с разной концентрацией металла и построены кумулятивные кривые их распределения (рис. 3). Анализ этих кривых позволил определить долю площадей, относящихся к разным категориям загрязнения [15]. В 1989 г. на 55% исследуемой территории превышения ПДК валового свинца не наблюдалось, а на 30% территории загрязнение почв было допустимым — в пределах 1—2 ПДК. Умеренно опасная категория загрязнения (2—5 ПДК) занимала 15% территории. Валовый свинец накапливался выше ПДК в почвах крупных автомагистралей и промзон, в жилых кварталах старой застройки, а также в сельскохозяйственной зоне — коэффициент экологической опас-ности6 Ко для этих зон составил 2,3, 1,9 и 1,4 соответственно. По содержанию подвижного свинца 78% площади почв относились к категории чистых, на 8% площади загрязнение почв было допустимым, почвы с умеренно опасным загрязнением занимали всего лишь 4% территории. Незначительное превышение подвижных форм свинца над ПДК зафиксировано только вдоль автомагистралей и в старых жилых кварталах (К0=1,2^1,4).
В 2005 г. усиление загрязнения почв валовым свинцом привело к сокращению площади с «чистыми» почвами до 28%. Зона допустимого загрязнения также несколько уменьшилась (до 22%), а умеренно опасного — заметно возросла (до 36%). Появилась зона с опасной категорией загрязнения, приуроченная к центрам аномалий, ее площадь составила 13%. Величина Ко валового свинца достигла 5,3 для крупных автомагистралей и промзон, 5,2 — для старых жилых кварталов и 2,8 — для аг-роландшафтов. В остальных зонах валовое содержание свинца приблизилось к нормативу (Ко = = 1,0^1,1), за исключением почв в районах новостроек (Ко = 0,5). Площади почв с разными категориями загрязнения подвижными формами свинца распределились следующим образом: 47% — «чистые», 18% — с допустимым, 30% — с умеренно опасным и 5% — с опасным загрязнением. Ве-
6 Коэффициент экологической опасности Ко рассчитан как отношение фактической концентрации к ПДК свинца в почвах или растениях [14].
личина Ко свинца для крупных автомагистралей и промзон, старых жилых кварталов и агроландшаф-тов составила 3,8, 3,4 и 1,4 соответственно. В остальных зонах Ко = = 0,2^0,7.
Тренды загрязнения свинцом городских растений. Древесные растения. Анализ содержания свинца в листьях тополя, опробованных в 1989 г., показал, что оно максимально отличается от фонового значения (Кс = 2,6) в зоне старых жилых кварталов (табл. 2). В остальных зонах превышение регионального кларка незначительно — Кс = 1,3^1,4 (рис. 4). За период 1989—2005 гг. концентрация
Таблица 2
Среднее содержание свинца (мг/кг сух. в-ва) в растениях функциональных зон BAO Москвы (по данным разных лет опробования)
Растения
Зона
фоновая территория крупные автомагистрали (А) внутри-районные улицы (ВУ) старые жилые кварталы (СК) ново-стройки (Н) рекреа-цион- ная зона (Р)
1989 г.
Тополь
листья 1,4 2,7 2,9 3,7 — 2,6
ветки 1,7 3,1 1,1 2,5 — 1,0
Липа
листья 1,3 4,1 2,9 — 1,3 2,2
ветки 1,6 2,7 1,8 — 0,9 1,1
Одуванчик 1,6 2,9 1,1 4,6 1,0 0,9
Злаки 0,8 2,0 0,9 — — 0,9
2005 г.
Тополь
листья 1,4 5,1 3,9 4,8 — 2,9
ветки 1,7 3,9 1,9 3,3 — 1,3
Липа
листья 1,3 5,4 4,0 — 1,5 2,9
ветки 1,6 3,8 2,4 — 1,1 1,3
Одуванчик 1,6 3,8 1,5 5,3 1,1 1,1
Злаки 0,8 3,1 1,5 — — 1,1
Рис. 4. Накопление свинца в листьях и ветках тополя и липы в функциональных зонах Восточного округа Москвы в 1989 и 2005 гг. Значения коэффициента концентрации (Кс) и коэффициента рассеяния (Кр) рассчитаны относительно содержания свинца в растениях фоновых ландшафтов Мещерской равнины. Обозначения функциональных зон см. в табл. 2
свинца в листьях тополя, произрастающего вдоль крупных автомагистралей и в промзонах, возросла в 1,9 раза, а в старых жилых кварталах и на внутрирайонных улицах — в 1,3—1,4 раза. В ветках тополя в старых жилых кварталах и вдоль крупных автомагистралей содержание свинца превысило фоновое значение в 1,5 и 1,8 раза в 1989 г., а в зоне рекреации и на внутрирайонных улицах оно было в 1,7 раза ниже кларка (рис. 4). За 16-летний период содержание свинца в ветках тополя на внутрирайонных улицах увеличилось в 1,8 раза, а в остальных зонах — в 1,3 раза.
Для листьев липы в 1989 г. установлено увеличение Кс в ряду: новостройки < рекреационная зона < внутрирайонные улицы < крупные автомагистрали и промзоны (рис. 4). За период 1989—2005 гг. аккумуляция свинца в листьях липы увеличилась в 1,4 раза на внутрирайонных улицах и крупных автомагистралях, чуть меньше — в рекреационной зоне и практически не изменилась в районах новостроек. Ветки липы в зоне новых жилых кварталов в 1989 г. содержали свинца в 1,7 раза меньше фонового значения, на внутрирайонных улицах его содержание было близко к кларку и лишь на крупных автомагистралях превышало последний в 1,7 раза. За 16-летний период накопление свинца в ветках липы во всех зонах возросло в 1,2—1,4 раза.
Сравнение содержания свинца в различных органах древесных растений в фоновых условиях показало его превышение в ветках по сравнению с листьями в 1,2 раза. В условиях города наблюдалось обратное соотношение: листья деревьев накапливали металл активнее, чем ветки, в 1,2—2,0 раза. Наибольшие различия между органами растений отмечены на внутрирайонных улицах и в рекреационной зоне, наименьшие — вдоль крупных автомагистралей и в старых жилых кварталах (табл. 2). Это объясняется тем, что атмотехногенное загрязнение растений свинцом в городских ландшафтах происходит не только в результате аэрозольных выпадений, но и за счет пыли, поднимающейся с поверхности почвы и дорожного покрытия и активно осаждающейся на листовых пластинках и ветках деревьев, особенно вблизи крупных автомагистралей и в промзонах.
Травянистые растения. В 1989 г. содержание свинца в листьях одуванчика в зонах рекреации, новостроек и внутрирайонных улиц было меньше фонового в 1,5—1,7 раза (рис. 5). Его аккумуляция выше регионального кларка наблюдалась на крупных автомагистралях (Кс = = 1,8) и особенно в старых жилых кварталах (Кс = 2,9). В 2005 г.
Рис. 5. Накопление свинца в листьях одуванчика и укосе газонных трав в функциональных зонах Восточного округа Москвы в 1989 и 2005 гг. Значения Кс и Кр рассчитаны относительно содержания свинца в растениях фоновых ландшафтов Мещерской равнины. Обозначения зон см. в табл. 2
концентрация свинца в листьях одуванчика была также в 1,5 раза выше в старых кварталах, чем на крупных автомагистралях, и в 4,3—5 раз выше, чем в остальных зонах. Содержание свинца в листьях одуванчика, произрастающего в трех наиболее загрязненных зонах, по сравнению с 1989 г. увеличилось в 1,3—1,4 раза, а в зонах рекреации и новостроек практически не изменилось.
Анализ содержания свинца в укосе газонных трав в 1989 г. показал его увеличение по сравнению с фоном в ряду: рекреационная зона < внутрирайонные улицы < крупные автомагистрали. В 2005 г., как и в 1989 г., концентрация металла в укосе, собранном вдоль автомагистралей, была в 2 раза больше, чем на внутрирайонных улицах. За 16-летний период содержание свинца в укосе трав возросло во всех зонах в 1,2—1,6 раза (рис. 5). Полученные результаты согласуются с данными по Санкт-Петербургу [17], Новосибирску [5] и Тольятти [19].
Сельскохозяйственные культуры. По сравнению с овощными культурами фоновых территорий в 1989 г. свинец наиболее активно накапливался в кочерыжке капусты (Кс = 1,9), в листьях капусты и укропа (Кс = 1,7), корнеплодах моркови и клубнях картофеля (Кс = 1,5). Среди зерновых культур повышенная аккумуляция металла наблюдалась в листьях, стеблях и корнях кукурузы (Кс = 1,5^1,7), а также в соломе и зерне овса (Кс = 1,4^1,7). Содержание свинца в соломе и зерне ячменя, ржи и пшеницы практически не отличалось от фонового.
По сравнению с 1989 г. овощные культуры в 2005 г. содержали свинца больше на 40—120%, зерновые — на 10—90%. Наиболее активно аккумулировали свинец клубни картофеля и корнеплоды моркови. Концентрация металла в них возросла в 2 раза, что соответствует кратности увеличения количества его подвижных соединений в почве. Несколько меньше содержание свинца изменилось за 16-летний период в листьях укропа и кочерыжке капусты. Среди зерновых культур интенсивно
накапливали металл корни, листья и стебли кукурузы, солома овса. Содержание свинца в них возросло в 1,3—1,9 раза. Ячмень, рожь, овес и пшеница оказались наиболее устойчивы к увеличению содержания металла в почве. Его концентрация в соломе и зерне этих растений за 16-летний период увеличилась в среднем на 15%.
По уровню аккумуляции свинца в 2005 г. сельскохозяйственные культуры BAO Москвы можно расположить в ряд: кукуруза (корни) ^ капуста (кочерыжка) ^ укроп (листья) ^ картофель (клубни) ^ ячмень (солома) ^ пшеница (солома) ^ ^ рожь (солома) ^ овес (солома) ^ морковь (корнеплоды) ^ капуста (листья) ^ пшеница (зер -но) ^ рожь (зерно) ^ кукуруза (листья) ^ ячмень (зерно) ^ кукуруза (стебли). Более интенсивное накопление свинца пшеницей по сравнению с ячменем отмечено также на дерново-подзолистой почве в условиях вегетационных и микрополевых опытов [18].
Для экологической оценки качества растительной продукции сравнили содержание свинца в органах сельскохозяйственных культур в пересчете на сырую массу (табл. 3) с принятой в РФ ПДК металла, равной 0,5 мг/кг сырой массы [18]. Как в 1989 г., так и в 2005 г., содержание свинца в овощных культурах и зерне овса на территории округа не превысило гигиенического норматива. Близкие значения концентрации металла (в мг/кг сырой массы) получены для моркови, картофеля и капусты в агроландшафтах Новосибирска [5] и Тольятти [7]. B ячмене концентрация металла находилась на границе норматива, а в зерне ржи и пшеницы превысила ПДК в 1,5 раза.
Таблица 3
Содержание свинца в сельскохозяйственных культурах BAO Москвы
Сельскохозяйственные культуры Содержание Pb, мг/кг сырой массы
1989 г. 2005 г.
Морковь (корнеплоды) 0,08 0,15
Картофель (клубни) 0,10 0,23
Капуста (листья) 0,06 0,09
Укроп (листья) 0,12 0,22
Ячмень (зерно) 0,54 0,58
Рожь (зерно) 0,71 0,75
Овес (зерно) 0,25 0,25
Пшеница (зерно) 0,71 0,79
Время удвоения содержания свинца в почвах и растениях. Сделанный нами расчет средней годовой скорости прироста содержания свинца в поверхностном слое почв за период 1989—2005 гг. позволил определить время удвоения концентра-
ции (72) его валовой и подвижных форм. При этом предполагалось сохранение современной техногенной нагрузки в будущем. В качестве базового уровня принято содержание свинца в почвах разных функциональных зон в 2005 г. По нашим оценкам, в двух наиболее загрязненных зонах округа 72 составляет в среднем 25 лет. Для внутрирайонных улиц и районов новостроек время удвоения содержания валовой и подвижных форм металла равно 40—47 и 55—56 лет соответственно. Заметное — в 1,5 раза — превышение Т2 подвижных форм свинца относительно его валового содержания обнаружено только в агроландшафтах (46 и 30 лет) и рекреационной зоне (56 и 44 года). Это можно объяснить более кислыми и нейтральными условиями в почвах, усиливающими вынос подвижного свинца в этих зонах.
При незначительной доле фолиарного поглощения [23, 24] прогноз времени удвоения содержания свинца в городской растительности получен на основе скорости его увеличения в почвах. Сопоставление скорости увеличения количества свинца в почвах и растениях позволило выявить виды с различной реакцией на загрязнение почв. Чувствительность растений к увеличению содержания металла в почве оценивали по величине прироста концентрации в растении ДСр, приходящейся на единицу прироста содержания его подвижных форм в почве. Результаты расчетов показали, что с увеличением почвенного загрязнения интенсивность корневого поглощения свинца растениями, как правило, уменьшается: ДСр для древесных видов изменяется от 0,20—0,64 до 0,13—0,30, для листьев одуванчика — от 0,18—0,20 до 0,043—0,13. Пониженный темп биогеохимического накопления свинца объясняется барьерными механизмами, контролирующими его поступление из почвы в растения [9]. Исключение составляют газонные травы, у которых величина ДСр в условиях высокой концентрации подвижного свинца в почвах несколько
Рис. 6. Накопление свинца в растениях агроландшафтов Восточного округа Москвы в 1989 и 2005 гг.
увеличивается — от 0,18—0,20 до 0,22—0,23, что свидетельствует о безбарьерном поглощении свинца этими видами. У сельскохозяйственных культур в зависимости от вида и органа растения величина ДСр изменяется в широких пределах: для зерновых — от 0,1 до 0,9, для кукурузы — от 0,3 до 0,9, для овощных культур — от 0,4 до 1,2 (рис. 6). В целом же они демонстрируют меньшую толерантность к почвенному загрязнению свинцом по сравнению с древесными и травянистыми видами, что позволяет считать их наиболее чувствительным биогеохимическим индикатором загрязнения городских ландшафтов.
Величину Т2 для растений определяли на основе расчета увеличения количества доступных для растений подвижных форм свинца в почвах, необходимого для удвоения его содержания в растениях, которое делили на скорость прироста. При этом предполагалось постоянство скорости накопления свинца в почвах, а также линейная связь между почвой и растением. Эти предположения не выполняются для листьев и веток древесных растений и листьев одуванчика, имеющих барьерный тип поглощения свинца, поэтому расчет Т2 для них не проводился. Для укоса газонной травы, произрастающей вблизи автомагистралей, Т2 составляет 39—49 лет, в остальных зонах — 97—177 лет. В агроландшаф-тах минимальное значение Т2 (29—56 лет) имеют овощные культуры, для кукурузы Т2 = 34^69 лет. У разных видов зерновых культур Т2 варьирует от 34 до 176 лет.
Выводы. 1. Установлено более интенсивное по сравнению с валовым содержанием накопление подвижных соединений свинца в почвах: их средняя концентрация в 1989 г. превысила природный фон в 14 раз, а в 2005 г. — в 36 раз. Для валовых форм эти значения составили 4,3 и 9,5 соответственно. Темп аккумуляции соединений свинца в почвах функциональных зон уменьшался в ряду: крупные автомагистрали и промзоны > старые жилые кварталы > агроландшафты > внутрирайонные улицы > рекреационная зона > кварталы новостроек.
2. Анализ карт загрязнения почв свинцом позволил выявить на территории ВАО три крупных техногенных аномалии высокой контрастности и протяженности с максимальной концентрацией свинца в северо-западной аномалии, сформированной под совместным воздействием выбросов автотранспорта и промышленных предприятий. За 16-летний период установлен рост площади почв, относящихся к умеренно опасной и опасной категориям загрязнения валовым свинцом: с 13 до 50%, а его подвижными формами — с 1 до 35%.
3. Пространственно-временные тренды загрязнения свинцом городской растительности характеризуются высоким темпом его накопления в древесных и травянистых растениях округа, произрастающих в старых жилых кварталах (К = 1,9^2,6
в 1989 г. и 2,8—4,1 в 2005 г.), а также вблизи крупных автомагистралей (Кс = 1,8^2,9 и 2,4—3,9 соответственно). Содержание свинца в ветках деревьев было в среднем 1,2 раза ниже, чем в листьях. В большинстве овощных культур произошло удвоение концентрации свинца, а в зерновых культурах его содержание практически не изменилось.
4. Сопоставление скорости накопления свинца в растениях с увеличением количества его подвижных форм в почвах позволило выявить виды с различной реакцией на загрязнение почв. Наиболее чувствительны к нему оказались большинство сельскохозяйственных культур — в овощах за 16-летний период концентрация свинца возросла в 2 раза, что соответствует кратности увеличения его подвижных соединений в почве. Накопление свинца древесными и травянистыми видами было в несколько раз меньше и с усилением почвенного загрязнения оно, как правило, снижалось, что указывает на барьерный тип поглощения у этих видов.
5. Расчет времени удвоения концентрации свинца в почвах и растениях в разных функциональных зонах показал, что его минимальное значение (Т2 = 25 лет) для валовых и подвижных форм относится к почвам вдоль крупных автомагистралей и в старых жилых кварталах, максимальное —
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богданов Н.А. Экологическое зонирование: научно-методические приемы (Астраханская область). М.: Эди-ториал УРСС, 2005. 176 с.
2. Водяницкий Ю.Н. Соединения Дб, РЬ и /п в загрязненных почвах (по данным БХДР8-спектроскопии): Обзор литературы // Почвоведение. 2006. № 6. С. 681—691.
3. Геоэкология населенных пунктов Республики Мордовия / Ред. А.А. Ямашкин. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2001. 240 с.
4. Герасимова М.И., Строганова М.Н., Можаро-ва Н.В., Прокофьева Т.В. Антропогенные почвы (генезис, география, рекультивация) / Под ред. Г.В. Добровольского. М.: Ойкумена, 2003. 266 с.
5. Ильин В.Б., Сысо А.И. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. 229 с.
6. Касимов Н.С. Методология и методика ландшафт-но-геохимического анализа городов // Экогеохимия городов / Под ред. Н.С. Касимова. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995. 336 с.
7. Касимов Н. С., Королева Т.В, Проскуряков Ю.В. Биогеохимия городских агроландшафтов (на примере г. Тольятти) // Там же. С. 273—282.
8. Касимов Н. С., Никифорова Е.М. Геохимия городов и городских ландшафтов // Экология города / Под ред. А.С. Курбатовой и др. М.: Научный мир, 2004. С. 234—268.
9. Ковалевский А.Л. Биогеохимия растений. Новосибирск: Наука, 1991. 294 с.
10. Кошелева Н.Е., Никифорова Е.М. Антропогенная трансформация физико-химических свойств городских почв и ее влияние на накопление свинца // Современ-
55—56 лет — к почвам в новых жилых кварталах. Для растений с безбарьерным типом поглощения свинца Т2 колеблется в широких пределах, его величина зависит от вида и органа растения, а также от темпа накопления подвижного свинца в почве. У газонных трав оно варьирует от 39 до 177 лет. В агроландшафтах минимальное значение Т2, равное 16 годам, имеют клубни картофеля и корнеплоды моркови, максимальное — до 176 лет — зерновые культуры.
6. Использованные для Москвы методические приемы анализа пространственно-временных трендов загрязнения городских ландшафтов можно рекомендовать для обработки данных эколого-геохи-мического мониторинга и прогноза экологической ситуации в других мегаполисах. Для изучения многолетней динамики накопления тяжелых металлов в депонирующих средах городов необходим расчет скорости их аккумуляции в различных функциональных зонах. Прогноз уровней загрязнения ТМ предполагает оценку времени удвоения их концентрации в почве и растениях с безбарьерным типом поглощения. Экологическую опасность загрязнения почв можно определить путем вычисления площадей, относящихся к разным категориям загрязнения.
ные проблемы загрязнения почв: Мат-лы II Междунар. науч. конф. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2007. С. 123—127.
11. Ландшафты Московской области и их современное состояние / Под ред. И.И. Мамай. Смоленск: Изд-во Смоленского гуманитарного ун-та, 1997. 296 с.
12. Никифорова Е.М, Кошелева Н.Е. Динамика загрязнения городских почв свинцом (на примере Восточного округа Москвы) // Почвоведение. 2007. № 8. С. 984—997.
13. Никифорова Е.М, Лазукова Г.Г. Геохимическая оценка загрязнения тяжелыми металлами почв и растений городских экосистем Перовского района Москвы // Вестн. Моск. ун-та, Сер. 5. География. 1991. № 3. С. 44—53.
14. Прикладная геохимия. Экологическая геохимия Москвы и Подмосковья. Вып. 6. М.: ИМГРЭ, 2004. 326 с.
15. СанПиН 2.1.7.1287-03 «Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы». М.: Минздрав России, 2003. 24 с.
16. Свинец в окружающей среде. М.: Наука, 1987. 181 с.
17. Уфимцева М.Д., Терехина Н.В. Фитоиндикация экологического состояния урбогеосистем. СПб.: Наука, 2005. 339 с.
18. Черных Н.А, Овчаренко М.М. Тяжелые металлы и радионуклиды в биогеоценозах. М.: Агроконсалт, 2002. 200 с.
19. Экогеохимия городских ландшафтов / Под ред. Н.С. Касимова. М.: Изд -во Моск. ун-та, 1995. 336 с.
20. Якубов Х.Г. Экологический мониторинг зеленых насаждений в Москве. М.: ООО «Стагирит-Н», 2005. 264 с.
21. Azimi S, Rocher V., Muller M. et al. Sources, distribution and variability of hydrocarbons and metals in atmospheric deposition in an urban area (Paris, France) // Scie. of Total Environ. 2005. Vol. 337, N 1-3. P. 223-239.
22. Linde M, Bengtsson H, Oborn I. Concentrations and pools of heavy metals in urban soils in Stockholm, Sweden // Water, Air and Soil Pollution: Focus 1. 2001. P. 83-101.
23. Schmidt M. Atmosfärischer Eintrag und interner Umsatz von Schwermetallen in Waldökosystemen. Ber. For-suchungs. Zentr. Waldökosys / Waldst. A 34/87. Göttingen, 1997.
24. Truby P. Distribution patterns of heavy metals in forest trees on contaminated sites in Germany // J. of Applied Botany. Angewandte Botanik. 1995. September. Vol. 69 (3/4), P. 135-139.
25. Tume P., Bech Jaume, Sepulveda B. et al. Concentrations of heavy metals in urban soils of Talcahuano (Chile): a preliminary study // Environ. Monitoring and Assessment. 2008. Vol. 140. P. 91-98.
26. Turer D, Maynard J.B., Sansalone J.J. Heavy metal contamination in soils of urban highways: comparison between runoff and soil concentrations at Cincinnati, Ohio // Water, Air and Soil Pollution. 2001. Vol. 132. P. 293-314.
27. Wang J., Ren H., Zhang X. Distribution patterns of lead in urban soil and dust in Shenyang city, Northeast China // Environ. Geochemistry and Health. 2006. Vol. 28. P. 53-59.
28. Wang X.-S, Qin F.Spatial distribution of metals in urban topsoils of Xuzhou (China): controlling factors and environmental implications // Environ. Geol., 2006. Vol. 49. P. 905-914.
Поступила в редакцию 23.04.2009
E.M. Nikiforova, N.S. Kasimov, N.E. Kosheleva, O.V. Novikova
SPATIAL-TEMPORAL TRENDS IN POLLUTION
OF URBAN SOILS AND VEGETATION WITH LEAD COMPOUNDS
(CASE STUDY OF THE EASTERN DISTRICT OF MOSCOW)
Spatial-temporal trends in soil pollution with lead have been revealed basing on the results of soil-geochemical surveys of the Eastern district of Moscow performed in 1989 and 2005. The data on bulk and mobile lead compounds for these years were used to compile maps of their tech-nogenic anomalies in soils. The dynamics of pollution was evaluated and specific features of lead absorption by particular parts of trees, grasses and agricultural crops were identified. The average rates of lead accumulation in different functional zones of the district were estimated which made it possible to forecast the time period of the lead content doubling in the upper horizons of soils and in plants.
Key words: soils, urban vegetation, technogenic anomalies, pollution, geochemical transformation, geochemical maps, technogenesis.
